1. 直向型与交叉型对应不同的区域连接方式

1.1 两个烯烃可以形成不同的区域连接

        在分子内 [2+2] 光环加成中，两个烯烃通过连接链（tether）相连。根据两个烯烃反应碳原子的配对方式，可形成直向型（straight）和交叉型（crossed）两类区域连接。[2]

        按照 Rigotti 等采用的标记方式，可将两个烯烃的四个反应碳原子分别记为 α、β 和 α′、β′。两种典型连接方式可表示为：

        直向型与交叉型描述的是两个烯烃反应碳原子之间不同的区域连接关系。在分子内反应中，端点配对方式的改变会形成不同的环系连接，因此可产生结构明显不同的多环产物。[2]

        交叉型 [2+2] 光环加成能够建立热反应中较难直接形成的 C–C 键组合，因此可用于构建具有桥环连接特征的多环骨架。[2]

1.2 区域选择性与逐步 C–C 成键有关

对于本文讨论的三重态逐步型分子内 [2+2] 光环加成，区域选择性与两次 C–C 成键的先后过程有关。

第一次 C–C 成键首先建立两个烯烃之间的区域连接，并形成1,4-双自由基（1,4-diradical）中间体。随后，剩余两个自由基中心需要进一步形成第二根 C–C 键，才能完成环丁烷单元的构建。[2]

因此，实验观察到的区域选择性涉及两个连续过程：

1. 第一次 C–C 成键形成哪一种区域连接的 1,4-双自由基；

2. 形成的 1,4-双自由基能否继续完成第二次 C–C 成键。

第一次成键建立中间体的区域连接方式，1,4-双自由基的后续闭环或竞争性逆裂解进一步影响相应连接能否转化为最终产物。[2]

2. 三重态分子内 [2+2] 光环加成可经 1,4-双自由基逐步成键

2.1 第一次 C–C 成键具有自由基型加成特征

        对于三重态分子内 [2+2] 光环加成，Rigotti 等将第一次 C–C 成键描述为对系链烯烃的自由基型加成（radical-type addition）。这一过程首先形成一根新的 C–C 键，并产生 1,4-双自由基中间体。[2]

        这一逐步成键特征是理解连接链长度与区域选择性关系的基础。连接链长度改变不同第一次成键方式所对应的环化几何，由此影响不同区域连接的 1,4-双自由基形成倾向。[2]

        在 Rigotti 等研究的手性铑路易斯酸介导反应中，底物与手性铑配合物形成配位复合物。实验观察到的立体汇聚性支持光环加成沿三重态反应路径进行，作者据此提出，系间窜越（intersystem crossing，ISC）发生在第一次 C–C 成键之前。随后发生第一次 C–C 成键，形成相应的 1,4-双自由基。[2]

该过程可概括为：

催化剂—底物配位复合物中的底物受光激发 → 系间窜越 → 进入三重态反应路径 → 第一次 C–C 成键 → 1,4-双自由基 → 后续反应 

这里的逐步成键与 1,4-双自由基机理适用于具有相应三重态反应证据的体系。其他类型的分子内 [2+2] 光环加成需要根据具体的激发态和机理证据分别分析。

2.2 1,4-双自由基的后续反应影响产物形成

        第一次 C–C 成键可以产生不同区域连接或不同空间构型的 1,4-双自由基。这些中间体形成第二根 C–C 键的能力并不相同。

        Rigotti 等提出，当 1,4-双自由基中剩余两个自由基中心具有适合成键的空间关系时，可以进一步形成第二根 C–C 键，完成环丁烷单元的构建。对于因空间因素不能有效完成第二次成键的构造异构或构型异构中间体，则可以发生逆裂解并返回起始结构；特定非生产性中间体也可能进入副反应路径。[2]

这一过程可归纳为：

        对于这类三重态逐步型反应，实验观察到的区域选择性来自第一次 C–C 成键与 1,4-双自由基后续反应的共同作用。第一次成键建立直向型或交叉型区域连接，随后第二次成键、逆裂解及其他竞争过程进一步影响最终产物分布。[2]

3. 连接链长度对直向型与交叉型区域选择性的影响

        对于 Rigotti 等研究所讨论的底物连接方式，两个烯烃之间的连接链长度会改变第一次 C–C 成键所形成的环尺寸，从而影响直向型（straight）与交叉型（crossed）两条反应路径的相对倾向。[1,2]

3.1 三原子连接链有利于直向型路径形成五元环

        将两个烯烃靠近连接链一端的碳原子分别记为 α 和 α′。当连接链含有三个原子时，α 与 α′ 之间形成第一根 C–C 键后，新形成的 α–α′ 键与原有三原子连接链共同构成五元环。

        在三重态逐步型 [2+2] 光环加成中，这一步可以视为自由基型分子内加成，并产生 1,4-双自由基中间体。三原子连接链因而通常有利于 α–α′ 第一次成键，并进一步形成直向型产物。[1,2]

早期光敏化二烯环化研究已经观察到与五元环化路径相一致的区域选择性，为这一连接链长度效应提供了实验依据。[1,2]

这里的五元环由第一次 C–C 成键与原有连接链共同形成。随后第二根 C–C 键形成环丁烷单元，完成 [2+2] 环加成。

3.2 两原子连接链使直向型第一次成键涉及四元环形成

当连接链缩短为两个原子时，如果仍由 α 与 α′ 首先成键，新形成的 C–C 键与两原子连接链共同构成四元环。

Rigotti 等指出，两原子连接链体系会回避这种四元环形成，因此 α–α′ 成键对应的直向型路径受到抑制。[2]

连接链从三个原子缩短为两个原子后，直向型路径第一次成键所形成的环由五元环变为四元环，这一变化改变了不同区域成键方式之间的相对倾向。

3.3 两原子连接链可通过交叉型成键形成五元环

两原子连接链体系还可以采用另一种第一次成键方式，即 α 与 β′ 成键，或 α′ 与 β 成键。

以 α–β′ 成键为例，第一次闭环包含 α、两个连接链原子、α′ 和 β′，共五个原子，因此仍可形成五元环。

两原子连接链体系可以通过 α–β′ 或 α′–β 的第一次成键避开直向型路径所涉及的四元环形成，并建立交叉型区域连接。所得 1,4-双自由基进一步形成第二根 C–C 键后，得到交叉型 [2+2] 光环加成产物。[2]

这一连接链长度效应可归纳为：

        因此，在这类三重态逐步型分子内 [2+2] 光环加成中，连接链长度通过改变第一次自由基型成键所形成的环尺寸，影响直向型与交叉型路径的相对有利程度。 三原子连接链有利于 α–α′ 成键形成五元环；连接链缩短为两个原子后，α–β′ 或 α′–β 成键仍能形成五元环，由此产生对交叉型区域连接的偏好。[2]

4. 交叉型 [2+2] 光环加成在双环[2.1.1]己烷构建中的应用

交叉型 [2+2] 光环加成能够建立常规成键方式较难直接获得的桥环连接。双环[2.1.1]己烷的合成是这一反应方式的代表性应用。

2022 年，Rigotti 和 Bach 报道了苯乙烯衍生物的可见光驱动分子内交叉型 [2+2] 光环加成。该反应通过三重态能量转移使底物进入反应性三重态，随后发生分子内环加成，得到双环[2.1.1]己烷衍生物。研究共报道 19 个实例，产率为 61% 至定量产率。[3]

按本文采用的三重态逐步型 [2+2] 机理模型，该反应过程可概括为：

光敏剂吸收可见光 → 三重态能量转移 → 底物形成反应性三重态 → 第一次交叉型 C–C 成键 → 1,4-双自由基 → 第二次 C–C 成键 → 双环[2.1.1]己烷骨架

三重态能量转移使底物获得发生光环加成所需的反应性激发态；底物进入三重态后，第一次 C–C 成键的位置决定其形成直向型还是交叉型区域连接。对于本文讨论的逐步型反应，连接链长度和相应的第一次环化几何是影响区域选择性的重要因素。[2,3]

        因此，光敏剂及三重态能量转移主要影响反应性三重态的形成；直向型或交叉型区域连接则与激发态底物后续的分子内成键方式有关。对于前文讨论的底物类型，连接链所限制的第一次成键几何是形成交叉型区域连接的重要结构因素。[2,3]

5. 连接链长度对区域选择性的影响需要结合具体反应体系分析

        对于文献[1,2]讨论的分子内 [2+2] 光环加成，连接链长度与区域选择性之间具有明确关系：三原子连接链通常有利于直向型成键，而两原子连接链可通过交叉型成键形成五元环中间体。[1,2]

        这一规律与特定的底物连接方式和逐步成键机理有关。其他分子内 [2+2] 光环加成体系还可能受到烯烃取代方式、底物构象、电子结构以及激发态性质等因素影响。

2024 年的一项研究报道了双（肉桂酰基）烯酮二硫代缩醛的可见光分子内 [2+2] 环加成。[4] 该反应体系能够形成两类不同的环加成产物：

①交叉型环加成形成桥联双环[3.1.1]庚烷-2,4-二酮；

②直向型环加成形成稠合双环[3.2.0]庚烷-2,4-二酮。

机理研究表明，底物能够直接吸收可见光发生激发；作者进一步采用密度泛函理论研究了交叉型 [2+2] 环加成的反应路径。[4]

该研究表明，同一分子内 [2+2] 反应体系中可以存在不同的区域成键路径。因此，在分析新的反应体系时，可依次考察：

1. 反应性激发态的形成方式；

2. 可能的第一次 C–C 成键位置；

3. 不同成键方式对应的环化尺寸和构象要求；

4. 机理证据支持逐步成键时，中间体能否继续完成第二次 C–C 成键。

连接链长度反映了分子内成键受到的几何约束，但具体区域选择性还与底物结构及实际激发态反应路径有关。

6. 直向型与交叉型区域选择性的机理关系

对于本文重点讨论的三重态逐步型分子内 [2+2] 光环加成，区域选择性可以归纳为以下连续过程：

连接链长度与底物构象 → 第一次 C–C 成键的空间关系 → 不同区域连接方式的竞争 → 形成相应的 1,4-双自由基 → 第二次 C–C 成键或逆裂解 → 直向型或交叉型产物

连接链首先限制两个烯烃能够采取的相对构象，并影响第一次 C–C 成键所形成的环尺寸。第一次成键建立区域连接并产生相应的 1,4-双自由基；随后，中间体的空间构型决定其是否能够继续形成第二根 C–C 键。不能满足后续成键要求的 1,4-双自由基可以发生逆裂解。[2]

7. 分子内 [2+2] 光环加成直向/交叉型区域选择性与逐步 C–C 成键研究相关代表化学品

表1. 三重态敏化剂与可见光光敏剂

表2. 模型底物、反应单元与底物构筑试剂

表3. 光反应介质与底物制备辅助试剂

注：以上为阿拉丁代表性科研相关产品，具体用途应结合产品规格、批次COA及目标反应或评价体系确定。更多产品规格、级别和COA信息可用“品名/CAS/货号”在阿拉丁官网检索。

参考文献

[1] Liu, R. S. H.; Hammond, G. S. Photosensitized Internal Addition of Dienes to Olefins. Journal of the American Chemical Society, 1967, 89, 4936–4944. DOI: 10.1021/ja00995a019.

[2] Rigotti, T.; Schwinger, D. P.; Graßl, R.; Jandl, C.; Bach, T. Enantioselective crossed intramolecular [2+2] photocycloaddition reactions mediated by a chiral chelating Lewis acid. Chemical Science, 2022, 13, 2378–2384. DOI: 10.1039/D2SC00113F.

[3] Rigotti, T.; Bach, T. Bicyclo[2.1.1]hexanes by Visible Light-Driven Intramolecular Crossed [2 + 2] Photocycloadditions. Organic Letters, 2022, 24, 8821–8825. DOI: 10.1021/acs.orglett.2c03606.

[4] Sang, Y.; Zhou, X.; Jin, C.; Pan, L.; Liu, Q.; Yuan, H.; Li, Y. Visible-light-driven, catalyst-free intramolecular crossed and straight [2 + 2] cycloaddition. Organic Chemistry Frontiers, 2024, 11, 3478–3484. DOI: 10.1039/D4QO00647J.

[5] Graßl, R.; Jandl, C.; Bach, T. Visible Light-Mediated Photochemical Reactions of 2-(2′-Alkenyloxy)cycloalk-2-enones. The Journal of Organic Chemistry, 2020, 85, 11426–11439. DOI: 10.1021/acs.joc.0c01501.

更多相关文章，详见下方：

羟烷基取代芳基/烯基硼酸酯脱氧氟化：经 BF3K 中间体实现 C–F 键构建与 C–B 键保留

多项理化性质接近苯甲酰胺，构象取向更接近磺酰胺：3-芳基-3-氨基氧杂环丁烷的双重等排体设计价值

低Pd 芳基/杂芳基氯（Ar–Cl）偶联怎么做稳：Buchwald 配体与预催化剂的启动一致性与放大复现策略（含对照与选型表）

自由基引发剂选择攻略

从光催化开环到骨架重构：氧杂环丁烷氧原子置换的反应逻辑与合成应用

石墨烯在光催化中的应用

反马氏规则的烯烃加氢功能化Nicewicz光催化剂

可见光催化在有机合成中的实验判断与条件选择

可见光驱动聚合物和小分子合成的 有机光氧化还原催化剂

从硝基芳烃到药物相关吡啶：光诱导芳基氮宾介导的骨架编辑策略